Die Federung

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Kommen wir nun zur Federung. Diese muss man niemandem genauer vorstellen, denn jeder arbeitet auf natürliche Weise mit einer Federung. Sogar der Mensch nutzt die Federung. Genau dort wollen wir anfangen und damit beginnen, die Federung zu betrachten. Sie benutzen Ihre Beine zur Abfederung von Stössen oder Ihre Hände bei Stürzen. Dabei machen Sie die Abfederung unbewusst und ohne dass sie sich dazu Gedanken machen.

Sie gehen nach einem Sprung in die Knie, damit sich nicht alle Kräfte des Aufpralls auf den Rücken und den Kopf übertragen. Die Beine bewirken dabei mit den Gelenken und Knöchel und Knie für eine natürliche Federung. Der Stoss, der beim Aufprall entsteht wird mit Hilfe der Gelenke abgefangen. Die entstehenden Kräfte werden daher auf mehrere Sehnen und Muskeln übertragen. Die spannen sich an und dämpfen so den Aufprall.

Eine natürliche Federung, die jeder Mensch ohne viel Zutun eingebaut hat und auch ohne lange nachzudenken auch jederzeit nutzt. Solche Federungen kennt der Körper noch an anderen Stellen, aber lassen wir das sein, denn wir haben einen natürlichen Effekt für unser Problem gefunden. Die Stösse und Schläge, die beim Gehen oder bei einem Sprung auftreten, nehmen wir nun in den technischen Bereich mit.

Im Körper gibt es empfindliche Bereiche. Das sind die Wirbelsäule und das Hirn. Beide sollten nicht zu stark erschüttert werden. Die Wirbelsäule kann brechen und die Nerven beschädigen, das Hirn kann sogar durch zu starke Erschütterung teilweise ausfallen und gestört sein. In beiden Fällen landen Sie in einem Spital, wo die Schäden untersucht werden. Wenn Sie Pech haben, werden sie bleibende Schäden haben.

Genau den gleichen Effekt hat die Federung bei den technischen Einrichtungen. Auch hier sollten gewisse Bereiche nicht zu stark erschüttert werden, da sie sonst einen Defekt erleiden. Daher versuchte man schon früh, diese Stösse, die es bei Bewegung immer geben wird, mit technischen Mitteln abzufangen. Diese technischen Mittel zur Dämpfung und Abfangung von Stössen und Schlägen nannte man Federn.

In der Natur gibt es Federn bei den Vögeln. Vermutlich nahm man diese Federn auch als Vorbild für den Begriff. Fiel eine solche Feder herunter und blieb am Boden liegen, gab es keinen Schlag. Bei mehreren Federn wurde der Sturz sogar gedämpft, was man als Federung bezeichnete. Daher bleiben wir bei den Federn und damit auch bei der Federung. Eine Feder gibt es daher auch im technischen Bereich und die werden wir nun behandeln.

Die technischen Federn müssen hohe Kräfte aufnehmen und sollten dabei weder zerstört werden, noch diese Kräfte weiterleiten. Das machten Ihre Beine beim Sprung. Genau das machen die Federn auch bei der technischen Einrichtung. Alle Fahrzeuge oder beweglichen Teile arbeiten damit. Selbst Ihr Stuhl im Büro hat eine Feder eingebaut um ihren Rücken zu schonen. Wenn wir zu den Fahrzeugen gehen, haben wir jedoch unterschiedliche Federn.

Die Fahrzeugfederung: Wenn man solche Federungen bei einem Fahrzeug einbaut, nennt man Sie Fahrzeugfederung. Diese gibt es nun bei jedem Fahrzeug. Ihr modernes teures Fahrrad hat sie, Ihr billiger Wagen vom Schrottplatz hat sie und auch eine Lokomotive hat eine Federung. Weil nun alles Fahrzeuge sind, nennt man diese Federung ganz einfach Fahrzeugfederung. Ausnahmen gibt es zwar, aber grundsätzlich gibt es diese Federung nun wirklich bei jedem Fahrzeug.

Fahrzeugfedern schützen das Fahrzeug vor den Stössen und Schlägen, die von der Fahrbahn übertragen werden. Sie müssen wissen, wenn man auf einer Unterlage fährt, entstehen immer Stösse und Schläge. Diese werden auf das Fahrzeug übertragen. Das kennen Sie von Ihrem alten Fahrrad. Das ist nicht nur unangenehm, sondern kann zu langfristigen Schäden führen. Darum haben Sie vermutlich auch ein neues Fahrrad mit Federung gekauft.

Wenn wir etwas präziser werden wollen, dann müssen wir bei der Fahrzeugfeder von einer Feder sprechen, die das Laufwerk, das wir hier kennen lernen, mit dem Gehäuse, das wir schon kennen, verbindet. Dazwischen baut man die Federn ein. Das reicht bei Ihrem Wagen oder bei einem LKW problemlos aus. Die Gewichte, die abgefedert werden müssen, sind geringer, als zum Beispiel bei der Eisenbahn. Man passt daher Fahrzeugfedern an die gewünschten Anforderungen an.

Als Fahrzeugfederung bezeichnet man daher das ganze Federsystem eines Fahrzeugs. Wie wir erfahren haben, kann das aus einer einfachen Feder, wie bei Ihrem Fahrrad bestehen. Komplizierte Fahrzeuge oder auch Fahrzeuge, die schwerer sind, besitzen aber abgestufte Federungen. Jeder Teil übernimmt von den Stössen einen Teil und baut die Vibrationen im vorgesehenen Bereich ab. Man erreicht viel feinere Federsysteme und kann die Bauteile besser schützen.

Die Primärfederung: Bevor wir uns näher mit der Primärfederung befassen, müssen wir deren Namen behandeln. Man spricht in diesem Bereich von einer Primärfederung. Es ist somit bei einer abgestuften Federung der erste Bereich, wo eine Federung eingebaut wurde. Nur, was ist der erste Teil? Wir müssen daher eine Blickrichtung festlegen, die vom Begriff her mit dem ersten Teil beginnt.

Eine Primärfeder, also die Feder der Primärfederung, wird immer von den festen Anlagen her gesehen. Die Schläge und Stösse, die das Fahrzeug an der ersten Stelle entstehen, findet man bei den Rädern.

Daher ist eine Primärfeder immer zwischen dem Rad und dem restlichen Fahrzeug eingebaut worden. Sie ist dort, wo die Schläge und Stösse primär auftreten, daher nennt man sie auch Primärfeder.

Da bei der Eisenbahn in der Regel nicht einzelne Räder verwendet werden. Besteht die Primärfederung aus einer Federung für die Achsen. Deshalb nennt man diese Federung oft auch Achsfederung.

Trotz dem unterschiedlichen Begriff meint man damit die gleiche Federung. Daher ist auch hier die Primärfederung durch den zweiten Begriff bestätigt worden. Wir haben eine Federung zwischen Achse und Fahrzeug.

Die Achsfederung und damit natürlich auch die Achsfeder, bezeichnen den Bereich direkter, als das mit der Primärfeder gemacht wird.

Entscheidend ist bei der hier eingebauten Federung, dass möglichst viel vom Fahrzeug gefedert ist. In diesem Zusammenhang spricht man auch von der ungefederten Masse. Je geringer diese ist, desto besser ist die Federung eines Fahrzeuges aufgebaut worden.

Wenn Sie das nächste Mal mit der Eisenbahn auf Reisen gehen, achten Sie sich einmal, denn jedes Fahrzeug der Eisenbahn hat eine Federung zwischen den Achsen und dem restlichen Fahrzeug eingebaut.

Die Primärfederung ist daher überall vorhanden und schützt so viele Teile des Fahrzeuges. Sie werden aber auch sehen, dass es Fahrzeuge gibt, die über eine weitere Federung verfügen. Das ist die Sekundärfederung.

Die Sekundärfederung: Die zweite Stufe der Federung ist die Sekundärfederung. Diese Federung dient eigentlich nicht mehr den Schlägen, die durch die Stösse von der Fahrbahn übertragen werden, sondern, sie federn bewegliche Teile im Fahrzeug ab. Dazu gibt es jedoch nur eine einzige Anwendung, die es erlaubt, eine Sekundärfederung zu verwenden. Denn diese Federung kommt nur bei Drehgestellen und dort auch nicht bei allen Ausführungen zur Anwendung.

Die Sekundärfeder wird zwischen dem Drehgestell und dem restlichen Fahrzeug eingebaut. Sie verhindert, dass Schläge und Stösse, die auf das Drehgestell übertragen werden, weiter auf das Fahrzeug geleitet werden.

Dadurch entsteht eine Federung, die mit Hilfe der Sekundärfedern den Kasten des Fahrzeuges vom Fahrwerk trennt. Damit entsteht eine komfortable Federung, die bei Lokomotiven und Triebzügen verwendet wird.

Da mit der Sekundärfederung der Kasten gegenüber dem Drehgestell abgefedert wird, nennt man diese Federung auch Kastenfederung.

Hier kann es jedoch zu Verwechslungen kommen, denn bei Lokomotiven mit Rahmen gibt es nur eine Federstufe, die dann dort auch Kastenfederung genannt wird.

Entscheidend ist, dass es die Sekundärfederung nur bei zweistufiger Federung gibt. Bei den anderen Lösungen deckt sie sich mit der Fahrzeugfederung.

Damit sind wir nun bei der Kastenfeder angelangt. Bei dieser Feder, die natürlich der Sekundärfeder entspricht, gibt es bei den Eisenbahnen unterschiedliche Bauformen. Daher lohnt es sich, wenn wir die bei der Kastenfeder verwendeten Typen genauer ansehen. In den folgenden Abschnitten werde ich jedoch von der Sekundär- oder allenfalls von der Primärfederung sprechen. Das spielt keine Rolle, denn Sie wissen nun, dass damit die Kastenfederung gemeint sein kann.

Unterteilt werden diese Typen von Federn in drei Kategorien. Man kann mit Stahl, Gummi oder Luft federn. Alle drei Typen kommen bei den Sekundärfederungen zum Einsatz, sie können jedoch auch bei der Primärfederung eingebaut werden. Wichtig ist eigentlich nur der Werkstoff, wobei die Luft nicht ohne Gummi federn kann, doch dazu kommen wir später. Wir wollen nun mit den ältesten Federn beginnen. Die sind sogar älter als die Eisenbahn.

 

Stahlfederung

Landläufig geht man davon aus, dass Stahl hart ist. Sprichwörtlich sprechen wir von einem stahlharten Kerl. Jetzt komme ich und behaupte frischfröhlich, dass man Stahl zur Federung von Fahrzeugen benutzen kann. Ist dann der Kerl flexibel und elastisch? Ja, denn Stahl ist wirklich ausgesprochen elastisch und überraschend flexibel. Entscheidend ist aber der Stahl der verwendet wird, denn nicht jeder Stahl ist dazu geeignet.

Um mit Stahl Federn herzustellen, muss man einen ganz speziellen Stahl benutzen. Normaler Baustahl, wie sie Ihn benötigt haben um den Zaun zu bauen, ist dazu nicht geeignet. Der Federstahl, also der Stahl für Federn, wird mit einer speziellen Legierung gewonnen. Man setzt dem Stahl dabei unter anderem Silizium zu. Zudem wird der Kohlenstoff möglichst gleichmässig verteilt. Damit gewinnt man einen speziellen Stahl.

Dieser Federstahl hat spezielle Eigenschaften, die man beim Bau von Federn nutzen kann. Der Stahl ist sehr zäh. Einen vergleichbaren Draht aus Federstahl schneiden Sie nicht so leicht, wie ein normaler Stahldraht. Gleichzeitig ist der Stahl aber sehr elastisch und bricht nicht so schnell. Man hat den idealen Stahl für den Aufbau einer Feder gewonnen, denn die Federung funktioniert nur, wenn der Stahl richtig verwendet wird.

Doch lassen wir nun die hervorragenden physikalischen Eigenschaften von Federstahl beiseite und kommen direkt zu den unterschiedlichen Bauformen der Federn aus Stahl. Die Bauformen sind bei Stahlfedern sehr vielseitig, so dass es schon ein paar Worte dazu zu sagen gibt. Beginnen wir aber am besten gleich bei einer der ältesten Stahlfeder, die es gibt, sie ist sogar älter als die Eisenbahn. Dabei wird der Federstahl sogar auf einfachste Weise verwendet.

Die Blattfeder: Entdeckt hatte man die Eigenschaften von Federstahl auf einfache Art und Weise. Vermutlich wurde bei der Fertigung von Stahl mit Silizium experimentiert. Der Stahl erfüllte die Anforderungen jedoch nicht, so dass die Stange mit diesem Stahl auf dem Abfall landete. Dort lag der Stahl nun auf zwei Stützen und als man eine weitere Stahlstange darauf warf, federte diese zurück. Man hatte den Federstahl entdeckt.

Ob es nun so war oder nicht, lassen wir stehen, denn damit haben wir eigentlich bereits die Blattfeder in ihrer Funktion kennen gelernt. Entscheidend ist, dass man den Stahl nun in Form von Flacheisen verwendet.

Damit werden nun Pakete geformt. Dieser Pakete nennt man korrekt Federpakete. So gelang es eine gut funktionierende Feder zu bauen. Der Aufbau war einfach und man konnte die Federn mit wenig Aufwand herstellen.

Das Federpaket, das aus mehreren Federplatten, die Federblätter genannt werden, besteht, wird in der Mitte mit einem Stahlring fixiert. Das oberste Federblatt besitzt zudem an den Seiten zwei Ösen.

Die zusätzlichen Federblätter der Blattfeder dienen nur der Unterstützung des obersten Federblattes. Die Begriffe oben und unten verwendete ich nur, weil es auf dem Bild so ist. Natürlich kann man die Feder auch umgekehrt aufbauen.

Durch die unterschiedlichen Längen der einzelnen Blätter, wird die Federwirkung gegen die Klammer verstärkt. Damit wird verhindert, dass es dort zu Walkbewegungen kommen kann. Bricht das einzige an den beiden Enden befestigte Federblatt, ist die Feder defekt und muss ersetzt werden. Daher stützt man die Federblätter so optimal wie möglich, das ergab dann diese immer kürzer werdenden Federblätter.

Die gut funktionierenden Blattfedern wurden im Lauf der Jahre noch verbessert und so entstanden die Parabelfedern. Man gab dieser speziellen Bauform den Namen Parabelfeder, weil er ihrem Federverhalten entspricht. Die Parabelfeder benötigt den gleichen Einbauraum wie bei einer Blattfeder. Die Parabelfeder ist von der Blattfeder nur durch die unterschiedlich dicken und etwas anders geformten Federblätter zu unterscheiden.

Die Parabelfeder hat den Vorteil, dass die Federung nicht mehr so stark durch das Gewicht des Fahrzeuges beeinflusst wird. Die Idee dabei war, dass die Feder bei unterschiedlich starken Beladungen eines Fahrzeuges immer optimal arbeiten sollte. Der Nachteil, dass sich die Wirkung der Blattfeder durch zusätzliche Beladung verändert, sollte deutlich verbessert werden. Die Lösung fand man schliesslich bei einem leicht geänderten Aufbau der Feder. Das Material Federstahl blieb erhalten.

Die Parabelfeder funktioniert, wie die Blattfeder auf einfache Weise. Die Stösse und Schläge, die auf die Achse wirken, versetzen die Feder in der Mitte in Schwingung. Diese Schwingung wird nun im Werkstoff aufgenommen und die Feder wird durchgedrückt. Der Federstahl spannt sich und federt so den Stoss ab. Nach dem Schlag entspannt sich der Federstahl wieder und die Feder geht in die ursprüngliche Position zurück.

Blattfedern werden bei der Eisenbahn sehr oft als Primärfedern verwendet. Dabei kommen bei Güterwagen mit unterschiedlichen Beladungen eher die Parabelfedern zum Einsatz. Eine Verwendung der Blattfeder als Sekundärfeder steht jedoch nichts im Weg. Wobei hier die Verwendung seltener ist, denn die Blattfedern sind gute Federn, die als Fahrzeugfedern ohne Abstufung der Federung verwendet werden können.

Durch den Aufbau wirken sowohl die Blattfeder, als auch die Parabelfeder dämpfend. Das heisst, die Stösse der Achse werden nicht in Schwingungen umgewandelt, sondern durch die Reibung zwischen den einzelnen Blättern ausgeglichen. Damit kann sich die Blattfeder nicht aufschaukeln. Man spricht dabei von einer langen Schwingungsdauer. Zusätzliche Bauteile werden bei der Blattfeder nicht benötigt. Sie ist einfach im Aufbau.

Ihre grosse Trägheit verhindert, dass die Blattfeder für hohe Geschwindigkeiten geeignet ist. Die Stösse der Achse kommen bei hohen Geschwindigkeiten immer schneller, so dass die Blattfeder diese nicht mehr abbauen kann und sie deshalb auf das Fahrzeug überträgt. Sie kann aber bei langsameren Fahrzeugen, die kostengünstig sein müssen, problemlos verwendet werden. Beispiele, wo die Blattfeder bis in die heutige Zeit überlebt hat, findet man bei den Güterwagen.

Die Schraubenfeder: Man kann den Federstahl auch in der Form von runden Stangen fertigen. Diesen Stahl formt man zu zylinderförmigen Aufwicklungen. Diese Aufwicklungen sehen dabei aus, wie das Gewinde einer Schraube. Die Feder kam so zu ihrem Namen Schraubenfeder. Der Vorteil dieser Fertigung ist, dass man Federn, die auf Zug oder Druck arbeiten, erschaffen kann. Dabei wird die Aufwicklung zusammengedrückt oder gestreckt.

Die Schraubenfeder ist im Aufbau viel aufwendiger, als die ältere Blattfeder. Die Funktion der Feder beruht hier nicht auf der Verwindung des Metalls, sondern auf die Kraft, die in dem Schraubengewinde aufgefangen werden kann. Der gebogene Stahl will seine Position behalten und wirkt dadurch federn auf die ganze Feder. Die Trägheit des Metalls wirkt sich nicht mehr aus und es entsteht am Federstahl auch keine Abnützung.

Schraubenfedern werden oft fälschlicherweise als Spiralfeder bezeichnet. Die Federfunktion der beiden Federn ist nahezu identisch. Die Spiralfeder bildet eine flach liegende Spirale, die sich durch verdrehen vorspannen lässt. Solche Federn kommen in Uhren oft zum Einsatz. Der Fehler entsteht, weil man die Aufwicklung der Schraubenfeder oft auch als Spirale bezeichnet. Wer nun Spirale mit Spiralfeder gleichsetzt, begeht den Fehler.

Jedoch gibt es bei den Schraubenfedern eine Verbesserung, die man optisch gar nicht sehen kann. Dazu erwähnen wir einen Nachteil der Schraubenfeder. Die Schraubenfeder reagiert empfindlich, wenn die Spirale verdreht wird. Sie kann bei solchen Belastungen brechen und so einen Defekt erleiden. Dieses Problem verhinderte jedoch, dass man an bestimmten Stellen Schraubenfedern verwenden konnte. Man musste die Federn verbessern.

Behandelt man den Federstahl einer Schraubenfeder entsprechend, erhält man eine Flexicoilfeder. Optisch ist eine Flexicoilfeder kaum von einer normalen Schraubenfeder zu unterscheiden. Jedoch kann die Flexicoilfeder auch verdreht oder gebogen werden. Die Funktion der Feder ist gewährleistet und die Brüche der Schraubenfedern treten hier nicht mehr auf. Da aber optisch kein Unterschied feststellbar ist, werden Flexicoilfedern einfach als Schraubenfedern bezeichnet.

Im Gegensatz zu den Blattfedern, besitzen die Schraubenfedern eine kurze Schwingungsdauer. Sie sind daher auch für hohe Geschwindigkeiten geeignet. Bei der Eisenbahn verwendet man diese Federn oft als Primär-, aber auch als Sekundärfeder. Auch Sie zu Hause werden wohl schon eine Schraubenfeder, oder gar eine Flexicoilfeder gesehen haben. Die Federn benötigen wenig Platz, sind leicht herzustellen und eigenen sich auch bei oft auftretenden Stössen.

Jedoch ist der Vorteil der Schraubenfeder auch gleich ihr Nachteil. Durch die kurze Schwingungsdauer und die nahezu fehlende Dämpfung, neigen die Federn dazu, sich selber aufschwingen zu können. Das heisst, erhält eine solche Feder einen Stoss, dann kann sie sich selber mit dieser Schwingung anregen und so zu unkontrolliertem Verhalten führen. Das ist jedoch bei Fahrzeugen nicht nur unerwünscht, sondern sehr gefährlich.

Um Schraubenfedern vor den unerwünschten Schwingungen zu schützen, verwendet man spezielle Stossdämpfer. Diese besitzt Ihr Wagen und wenn man Ihnen in der Werkstatt unterbreitet, dass Sie die Stossdämpfer wechseln müssen, dann ist das zur Sicherheit und auch entsprechend teuer. Sie benötigen aber korrekt arbeitende Stossdämpfer, wenn Sie sicher über die Strassen fahren wollen. Ohne Stossdämpfer kann eine Schraubenfeder schlicht nicht eingesetzt werden.

Diese Stossdämpfer können rein mechanisch mit Hilfe von Reibung, aber auch hydraulisch funktionieren. Der Zweck ist dabei immer gleich. Der Stossdämpfer soll dafür sorgen, dass sich die Schwingungen der Schraubenfeder nicht weiter ausbreiten können. Reibungsdämpfer arbeiten nahezu unterhaltsfrei, sind aber nicht uneingeschränkt verwendbar. Bei sich schnell wiederholenden Stössen ist der hydraulische Dämpfer besser geeignet. Er muss aber mit der Zeit ersetzt werden, weil er sich mit den Jahren abnutzt.

Zusammen mit den Stossdämpfern ergibt sich mit Schraubenfedern eine hervorragende platzsparende Federung. Die Federn kommen nun wirklich überall zur Anwendung und sie bewähren sich täglich bei Eisenbahnen, bei Automobilen und bei Sportgeräten. Bei den Fahrzeugen lösten die Schraubenfedern die Blattfedern ab. Doch damit haben wir immer noch nicht alle Federn aus Federstahl kennen gelernt.

Die Torsionsstabfederung: Die Torsionsstabfederung ist eine Federung, die den Federstahl auf eine andere Weise nutzt. Man erkannte, dass man den Federstahl verdrehen kann. Dann hat er eine Vorspannung, die dann federnd wirkt. Mit dieser Verdrehung des Federstahls kann man daher eine einfache und spannende Federung aufbauen. Daher sehen wir uns auch die Federung mit Hilfe dieser Torsionsstäbe an.

Die Torsionsstabfeder besteht aus speziellen Torsionsstäben, die der Feder ihren Namen gaben. Diese Stäbe werden aus herkömmlichem Federstahl gefertigt und entsprechen daher einem normalen Stück Federstahl.

Beim Einbau in ein Fahrzeug oder in ein anderes Objekt, werden diese Stäbe verdreht. Dieses verdrehen der Stäbe nennt man korrekt Torsion. Daraus liess sich dann der Name Torsionsstabfeder ableiten.

Torsionsstäbe waren eine einfache Federung, bei der die Eigenschaften des Federstahls besonders gut zur Geltung kamen. Der Stahl lässt sich ohne dass er bricht oder zerreisst biegen und verdrehen.

Da aber das Metall immer wieder in seine ursprüngliche Lage will, werden beim zusätzlichen Verdrehen zusätzliche Kräfte aufgebaut. Das Material will diese Kräfte sofort wieder abbauen, so dass es eine der Kraft entgegen wirkende Kraft erzeugt. Diese Kraft fängt letztlich den Stoss ab.

Verwendet werden die Federn mit Torsionsstäben bei der Eisenbahn als Sekundärfederung. Die Stäbe benötigen einen sehr flachen Einbauraum. Und die Federung kann in nahezu beliebiger Richtung eingebaut werden. Besonders wenn es galt, den Boden tief anzuordnen, baute man eine Federung mit der Hilfe von Torsionsstäben ein. Jedoch wurden diese Federn von den gut funktionierenden Schraubenfedern abgelöst.

Der Nachteil der Torsionsstabfeder ist genau der Grund für ihren Namen. Die Stäbe, die verdreht werden müssen, machen diese Verdrehung logischerweise nicht freiwillig mit. Daher können solche Federn nur mit sehr viel Aufwand eingebaut werden. Im eingebauten Zustand funktioniert die Feder gut und benötigt auch keine Dämpfer, jedoch gibt es schwere Schäden bei einem Bruch der Torsionsstabfeder. Daher ist diese Federung nahezu aus dem Verkehr verschwunden und wird nicht mehr oft verbaut.

 

Gummifederung

Jetzt kommen wir zu der Federung, die Sie vermutlich als erstes genannt hätten, wenn ich Sie danach gefragt hätte. Jedes Kind weiss, dass Gummi federnd wirkt. Warum also sollte man solche Federungen nicht auch bei Fahrzeugen verwenden? Das macht man wirklich überall und Gummifedern sind überall zu finden. Es wird deshalb Zeit, wenn wir uns diese Gummifederung genauer ansehen, denn sie ist wirklich sehr spannend.

Die Gummifeder wird, wie es der Name schon sagt, aus Gummi gefertigt. Doch was ist Gummi? Gummi ist eigentlich nur Kautschuk. Dieser natürlich vorkommende Rohstoff wird zusammen mit Schwefel in einem Fertigungsprozess, der Vulkanisation genannt wird, mit Druck und Hitze zu Gummi. Gummi ist ein zähelastischer Werkstoff, der für verschiedene Zwecke verwendet wird.

Den Gummi, so wie wir in heute kennen, wurde von Charles Nelson Goodyear entdeckt. Goodyear wurde am 29. Dezember 1800 in New Haven geboren. Durch die Vulkanisation gelang es ihm aus Kautschuk Gummi herzustellen. Charles Nelson Goodyear verstarb am 1. Juli 1860 in New York. Die heute weltweit bekannte Reifenmarke mit dem gleichen Firmennamen wurde viele Jahre später gegründet und zu seinen Ehren so genannt.

Bei den Federn aus Gummi wird dieser Werkstoff als Block verwendet. Dabei wird der Block einfach an Stelle einer Schraubenfeder montiert. Die Schläge und Stösse werden dabei durch Deformationen des Werkstoffes aufgefangen. Die Gummifeder ist daher eine Feder, die damit funktioniert, dass der Werkstoff zusammengepresst wird. Dadurch benötigt sie keine Dämpfer, denn der Werkstoff kann sich nur in seine ursprüngliche Form zurückbewegen.

Der Stoff neigt jedoch zur Alterung, wird mit der Zeit spröde und kann reissen. Das heisst, diese Federung kann nicht für unbeschränkte Zeit ohne Wartung verwenden werden. Da sie dadurch sehr aufwändig wird, kommt sie nur sehr selten zur Anwendung. Fahrzeuge, die damit ausgerüstet wurden, haben schon längst wieder normale Stahlfedern erhalten. Der Gummi leistet aber besonders gute Dienste bei den Luftfedern, zu denen wir nun kommen.

 

Luftfederung

Man nennt sie landläufig Luftfederung, jeder kennt sie und niemand weiss, warum sie so heisst. Warum nimmt man Luft zur Federung, denn wir wissen, wir können mit der Hand ohne grossen Widerstand durch die Luft fahren. Da federt nichts und auch sonst klingt es etwas gar simpel. Sie haben recht, eigentlich müsste man es eine Gasfederung nennen. Das Problem ist, dass man als Gas nun mal Luft nimmt.

Eine Luftfederung kennen Sie und sie hatten vielleicht schon einmal Ärger damit. Nehmen wir dazu Ihr altes Fahrrad. Genau, das Teil, das Sie weggeschmissen haben um ein neues Modell mit Federung zu kaufen. Dieses alte Modell hatte eine Luftfederung. Natürlich merkten Sie das nicht, denn Sie nennen das Teil Reifen oder Pneu und nicht Luftfederung. Niemand macht Ihnen deswegen einen Vorwurf.

Nehmen wir diesen Pneu und wechseln zum Automobil. Sie haben sicherlich Ihrer Frau schon zugesehen, wie sie mit den neuen Reifen über die Randsteine fuhr. Warum Ihre Frau? Wenn Sie es ja selber machen, sehen Sie es nicht. Wenn der Pneu über den Randstein fährt, wird er an der Kante stark eingedrückt. Er federt diese Kante ab. Danach ist alles wieder in Ordnung, zumindest mit dem Pneu, denn oft macht man das ja nicht, auch wenn der Pneu das überstehen muss.

Der Pneu kann das aber nur machen, weil Sie Luft in seinen Innenraum geblasen haben. Diese Luft ist durch den dichten aus Gummi bestehenden Pneu eingeschlossen und stützt nun den Reifen. Es kann federnde Eigenschaften erzeugen und das macht er auf der Autobahn sogar, denn nur so fährt er ruhig über die Strasse, Zumindest bis dann, wenn die Luft im Pneu fehlt und Sie mühsam Rad wechseln müssen, denn ohne Luft im Reifen fährt man nicht.

Die Luftfeder, also das Bauteil, das wir uns nun genauer ansehen wollen, funktioniert genau gleich wie Ihr Pneu. Man nimmt eine aus Gummi bestehende Membrane. Natürlich lässt man bei der Federung dieses komische Profil weg. In diesen geschlossenen Raum presst man nun Luft. Dadurch wird diese Membrane gestützt und die Luft kann die federnden Eigenschaften übernehmen. Genauso, wie beim Reifen an Ihrem Wagen.

Die Luftfeder funktioniert also mit Luft. Man könnte auch Gase nehmen. Das macht man zum Beispiel bei den Reifen von Flugzeugen auch. Der Grund für die Luft ist einfach, denn es gibt sie überall und man kann sie ohne grossen Aufwand beziehen.

Luft ist ein Gas. Gase kann man zusammenpressen, denn die Moleküle bewegen sich in einem grossen Raum, diesen kann man einengen. Die Luft will aber wieder den ursprünglichen Raum einnehmen. Es entsteht eine Federung.

Damit die Luftfeder richtig arbeiten kann, muss die Luft darin zur Umgebungsluft in einem Überdruck stehen.

Das führt zu einem spannenden Effekt, den die Luftfeder übernehmen kann, denn mit dem Druck im Innern der Luftfeder kann man nun die Eigenschaften der Federung der Beladung anpassen.

Die Luftfeder hat daher immer die gleichen Eigenschaften. Was keine der bisher beschriebenen Federung hatte.

Luftfedern werden daher sowohl als Primär- als auch als Sekundärfeder verwendet. Im modernen Reiseverkehr sind Luftfedern fast nicht mehr wegzudenken. Dabei funktionieren diese Federungen gut bis sehr gut und lassen kaum Wünsche offen. Die leicht einstellbaren Federn reagieren immer gleich. Der voll besetzte Wagen läuft gleich elegant, wie der leere Wagen. Ein Vorteil, den man oft nutzt um Reisezugwagen abzufedern.

Der grösste Nachteil der Luftfeder ist ihre Anfälligkeit. Ein kleiner Riss in einem Federbalg und die Luftfederungen fallen beim ganzen Fahrzeug aus. Damit das nicht geschieht, wird viel bei der Konstruktion für diesen Fall vorgesehen. Das macht die Federung wiederum sehr teuer. Trotzdem ausschliessen kann man den totalen Ausfall nie. Dann müsste man ohne Federung fahren, was natürlich nicht geht.

Mit einer Notlauffeder wird ein Notbetrieb möglich. Sie springt ein, wenn der Luftfederbalg undicht wird, oder wenn dessen Steuerung ausgefallen ist. Es handelt sich dabei um eine Feder, die nahezu normale Federeigenschaften hat und so zumindest einen beschränkten Einsatz des Fahrzeuges noch erlaubt. Es ist die Federung für den Notbetrieb und sie bekam dabei den Namen Notlauffeder.

Für die Notlauffeder werden die schon bekannten Gummifedern verwendet. Diese sind meistens schon beim Luftfederbalg eingebaut worden. Fällt die Luft aus und der Balg senkt sich, liegt die Gummifeder auf. Damit ist eine behelfsmässige Federung vorhanden und man kann die Fahrt zumindest mit Einschränkungen beim Komfort und bei der Geschwindigkeit, fortsetzen. Das Fahrzeug kann noch in eine Werkstatt fahren.

Mit der Einführung der Notlauffeder hat die Luftfeder viel von ihrem Schrecken verloren. Ein Riss in der Gummihülle und die Feder funktioniert nicht mehr, war anfänglich ein grosses Problem. Das Fahrzeug darf seine Fahrt nicht mehr fortsetzen. Da ist es ein Vorteil, wenn der defekte Federbalg die Eigenschaften des Gummis nutzt und so zur Notlauffeder wird. Die Luftfedern haben sich damit zu einem gut funktionierenden System entwickelt.

Die Vorteile einer Luftfederung mit Notlauffeder liegen auf der Hand. Luft ist ein sehr flexibler und stabiler Stoff für eine Federung. Die Luft fängt Stösse auf, gibt diese jedoch nicht weiter. Es ist kein fester Bestandteil vorhanden. Luftfedern kommen deshalb oft dort zum Einsatz, wo speziell weiche Federungen verlangt werden. So zum Beispiel bei einer Ambulanz oder aber bei einem modernen Reisezugwagen. Immer mehr kommen Luftfedern auch an anderen Orten zum Einsatz.

Mit der Luftfederung haben wir nun alle Bereiche eines konventionellen Laufwerks kennen gelernt. Damit wären wir eigentlich am Ende angelangt. Nur, die Technik blieb nicht stehen und so wurden neue Laufwerke erfunden, die zusätzliche Aufgaben übernehmen konnten. Diese Laufwerke fehlen uns noch und so wird es Zeit, dass wir auch diese Verbesserungen der Laufwerke ansehen. Wir kommen deshalb nun in die Welt der Neigetechnik.

 

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